Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

І'ис. / Схема виникнення пришшвів у Землі (а) та їхня роль у зміні кутової швид-

кості обертання Землі (б):

и>ч кутова швидкість обертання Землі; а>м

—

кутова швидкість обертання Місяця навколо

ісмлі; /', і сили взаємодії пригогивних хвиль з Місяцем, різниця яких створює момент, що

приводить до зміни кугової швидкості обертання Землі; 1

—

зміна кутової швидкості обертання

ісмлі; 2 зміна прискорення руху Сонця навколо центра Галактики и; А

—

апогалактій; П

—

перигалактій; О

—

сучасна епоха

повить 24,6 см. Отже, сумарний місячно-сонячний вплив може зу-

мовити максимальні коливання геоїда 78 см. Реальні зміни геоїда, у

«в'язку з реологічними властивостями верхніх оболонок Землі, ста-

новлять всього 65

наведеної вище величини, тобто ~51см.

Припливи і зміни кутової швидкості обертання Землі. Описа-

ні вище зміни швидкості руху Сонця по галактичній орбіті зу-

мовлюють закономірну зміну всіх елементів руху Землі, і, зо-

крема, зміну її колової швидкості обертання. Остання, в свою

чергу, впливає на зміну швидкості обертання Місяця навколо

Землі, точніше навколо їхнього спільного барицентра [143,

224].

Перша відносна зміна швидкості обертання Місяця повинна

відбуватися з тих самих причин, з яких змінюється колова швид-

кість обертання Землі, тобто внаслідок зменшення швидкості

поступального руху системи Земля — Місяць за час переміщення

від апогалактію до перигалактію, як і її збільшення під час руху

Сонячної системи у зворотному напрямку.

Друга відносна зміна швидкості обертання Місяця повинна

відбуватися у тому самому масштабі внаслідок збільшення коло-

вої швидкості руху Землі (також і барицентра).

Отже, під час проходження Сонячної системи через апога-

лактій орбітальна колова швидкість Місяця повинна бути мак-

симальною, а під час проходження через перигалактій — міні-

мальною. Орбітальна колова швидкість Місяця повинна зазна-

вати періодичних коливань, аналогічних коливанням орбіталь-

ної колової швидкості Сонця з таким самим періодом, але в

протилежних фазах. У цьому разі впродовж аномалістичного

періоду (176-10

років) кутова швидкість обертання Місяця

змінюється від значень, більших за кутову швидкість обертан-

ня Землі, до значень, менших за неї, і навпаки. Двічі вони ви-

являються однаковими.

У зв'язку з певними реологічними атастивостями верхніх

оболонок Землі екстремуми головних припливних хвиль виявляю-

ться зміщеними від осі Земля — Місяць. Напрямок цього змі-

щення визначається співвідношенням кутових швидкостей обер-

тання Землі <в

й обертання Місяця навколо барицентра Земля —

Місяць ю

. В разі зміщення екстремумів припливних хвиль від

лінії Земля — Місяць у напрямку обертання Землі під дією міся-

чного притягання утворюється пара сил, що гальмує обертання

Землі, а в разі зміщення у зворотному напрямку виникає момент

сил, що прискорює обертання Землі (див. рис. 7, а).

На рис. 7, б наведено криві зміни швидкості обертання Зем-

лі і прискорення руху Сонця за аномалістичний період, побу-

довані В.О. Цареградським [224] за даними П.П. Паренаго

[143]. Привертає увагу асиметричний вигляд кривої зміни

швидкості обертання Землі. Це пов'язано з ексцентриситетом

місячної орбіти. Річ у тім, що під час збільшення швидкості

обертання Землі відстань між Землею і Місяцем значно мен-

ша, ніж у період сповільнення. У зв'язку з цим визначений

В.О. Цареградським період сповільнення становить близько

108-10

років, а період прискорення —• 68-10

років.

Описаний вище ефект впливу припливів на зміну кутової

швидкості обертання Землі зумовлений коливанням найбіль-

шого моменту інерції Землі, що призводить до послідовної пе-

ріодичної зміни прискорень і сповільнень обертання Землі із

загальною тенденцією до її сповільнення. На цей процес на-

кладаються значно слабкіші ефекти вікового сповільнення

обертання Землі, пов'язані з дисипацією енергії внаслідок

припливних деформацій земної кори, а також гальмівний

вплив сонячних припливів.

На закінчення зазначимо, що результати вивчення впливу

припливів на Землі на кутову швидкість її обертання пояснюють

основну тенденцію останньої до зменшення (див. рис. 6, а), але

це зменшення відбувається не плавно, а порушується періодич-

ними коливаннями.

Розділ 2

ФІЗИЧНІ ПОЛЯ І ВНУТРІШНЯ

БУДОВА ЗЕМЛІ

2.1. Оболонкова будова Землі

Швидкості поширення пружних хвиль у Землі. В загальних ри-

сах Землю уявляють такою, що складається з концентричних ша-

рів: 1) тонкої кори, структура якої змінна і відносно складна; 2)

менш неоднорідної твердої мантії, що простягається від кори до

глибини порядку 2 900 км; 3) рідкого зовнішнього шару ядра зав-

товшки близько 2 200 км; 4) ймовірно твердого внутрішнього яд-

ра радіусом порядку 1 200 км. Такі уявлення грунтуються на ре-

зультатах вивчення закономірностей поширення в Землі пружних

хвиль, викликаних землетрусами.

На рис. 8, а наведено графіки зміни швидкостей поздовжніх і

поперечних пружних хвиль від поверхні Землі до її центра, отри-

Рис. 8. Графіки розподілу швидкостей поздовжніх У

і поперечних У

пружних

хвиль у Землі (а) і відповідні їм концентричні оболонки (зони) Землі (б):

1 - швидкість за Г. Джеффрісом; 2 - швидкість за Б. Гуттенбергом і К. Ріхтером; Я - глибина

від поверхні Землі

мані Б. Гуттенбергом і К. Ріхтером (1939 р.) та Г. Джеффрісом

(1939 р.). Привертає увагу досить добрий збіг кривих за даними

різних авторів, що свідчить про їх вірогідність.

Деякими дослідниками запропоновано моделі будови Землі, в

основу яких покладено наведені вище графіки поширення пруж-

них хвиль. Вони відрізняються 'Лише деталями. Тому нижче розг-

лянуто одну з них (тип А), складену К.Е. Булленом [28]. Згідно з

цією моделлю, Земля розділена на сім концентричних оболонок

(зон), яким присвоєно літерні позначення: А, В, С, А Е, Р, О. На

рис. 8, б подано схему розміщення зазначених оболонок Землі (із

збереженням відносного масштабу), а в табл. 2 наведено фізичні

параметри цих оболонок. Параметри пружних властивостей речо-

вини зон отримані в основному за даними сейсмології. Для ви-

значення щільності використано співвідношення між швидкістю

поширення пружних хвиль у речовині та її щільністю за умови

задоволення відомих значень середньої щільності Землі та мо-

менту її інерції.

Характеристики зон. Зона А — це земна кора. За підошву

кори приймають сейсмічну межу Мохоровичича, довкола якої

відбувається зміна швидкості поздовжніх пружних хвиль від 7 до

8 км/с. Це найменш однорідна зона. Детально вона буде розгля-

нута в наступному розділі.

Зони В, С і В відповідають мантії Землі. Різкої відміни між

ними немає, за винятком того, що в інтервалі зони С градієнти

наростання швидкостей У

і У

з глибиною зростають. Межі між

зонами відповідають стрибкам цих значень. Із зоною В дослідни-

ки часто пов'язують наявність шару (шарів) «зниженої швидко-

сті» і відповідного йому шару «інверсії щільності». Ці шари зви-

чайно ототожнюють з астеносферою, яка відіграє істотну роль у

геотектонічних побудовах. Питання про існування гіпотетичної

астеносфери розглянуто нижче. К.Е. Буллен [28], грунтуючись на

сучасних даних, дійшов висновку, що існування шарів зниженої

щільності слід вважати цілком можливим, але зовсім н е

доведеним.

Сукупність зон В і С звичайно називають верхньою мантією,

а і)

—

нижньою мантією.

Зони Е, Р і С відповідають ядру Землі. Зону Р назива-

ють зовнішнім ядром. У зв'язку з тим, що крізь цю зону не про-

ходять поперечні хвилі, зроблено висновок, що речовина в ньому

перебуває у рідкому стані. Більшу частину зони Е розглядають як

досить однорідну. Згідно з теорією динамомагнітного поля Землі,

Таблиця 2. Параметри моделі будови Землі (тип А)

Зона

Інтервал

глибин, км

Інтервал

щільності,

г/см

Модуль

Юнга

£••10", Н/м*

Коефіцієнт

Пуассона

Тиск ІЧ0",

Н/м

Кора (А)*

0-33 (2,84)

(0,91)

(0,267)

0-0,009

Мантія С

33-413

413-984

984-2900

3,32-3,64

3,64-4,55

4,55-5,11

1,60-2,29

2,29-4,68

4,68-6,33

0,270-0,280

0,280-0,276

0,276-0,293

0,009-0,141

0,141-0,379

0,379-0,87

Ядро Р

2898-4000

4000-4980

4980 5120

5120-6371

9,98-11,42

11,42-12,17

12,17-12,25

12,25 12,51

0,5

1,36 2,47

2,47-3,20

3,20-3,28

3,28-3,61

•Значення параметрів дано умовно. Більш детально див. наступний разділ.

зона Е

—

зосередження конвективних потоків, які створюють го-

ловну частину магнітного поля.

Зону О

—

внутрішнє ядро — вважають твердим, складеним із

досить однорідної речовини.

Зона ґ

—

перехідний шар між зовнішнім і внутрішнім ядром —

характеризується наявністю різкого стрибка у швидкості поширення

поздовжніх пружних хвиль. Його відкриття має важливе значення.

Склад земних надр. Проблема складу земних надр нині є одні-

єю з найскладніших, оскільки прямих даних про породи в під-

коровому просторі немає. Дослідники змушені обмежуватись гі-

потезами, що грунтуються на побічних, непрямих даних. Зокре-

ма, корисною є аналогія зі складом метеоритів. Відомі два класи

метеоритів: «залізні», що складаються переважно з залізо-

нікелевого сплаву, і «кам'яні», до складу яких входять переважно

силікати. Кам'яні метеорити поділяють на дві групи: хондрити

(~90 %) та ахондрити (~10 %). Склад хондритів дивовижно одно-

манітний і подібний до складу ультраосновних порід на Землі;

склад ахондритів — ближчий до базальтів. У першому наближенні

приймають, що склад ядра подібний до складу залізних метеори-

тів, а склад мантії — до кам'яних (хондритів). Подальше уточ-

нення складу звичайно здійснюється на основі експерименталь-

них даних про властивості відповідних гірських порід за високих

температури і тиску. Проблема ускладнюється тим, що досі ще

остаточно не вирішено питання про «гаряче» чи «холодне» поход-

ження Землі, хоча більшість дослідників схиляється до уявлення

про «холодне» її походження. В цьому разі за механізм утворен-

ня внутрішніх оболонок Землі можна прийняти гіпотезу зонної

плавки, запропоновану

О.П. Виноградовим [39].

Відмінною особливістю

гіпотези зонної плавки від

аналогічної гіпотези граві-

таційної диференціації є

те, що в процесі зонної

плавки вгору підіймаються

не легші, а більш легко-

плавкі компоненти.

На рис. 9 наведено

склад окремих зон Землі

згідно з гіпотезою зонної

плавки. Обговорюючи це

питання, К.Е. Буллен вва-

жає, що зони В і 2) можна

прийняти однорідними за

хімічним і фазовим скла-

дом. Деяку відмінність зо-

ни С він пов'язує з фазо-

вими переходами, а зміну

складу вважає малою. Хі-

мічний і фазовий склади в

зонах Е і С він також вважає однаковими, але не чисто залізо-

нікелевими (Ре-№). Різні дослідники поряд з Ре і № включають в

ядро Зі, М§, О, 5. К.Е. Буллен услід за О. Сорохтіним віддає пе-

ревагу уявленням, згідно з якими ядро (принаймні зовнішнє)

складається з Ре

0 РеО + Ре.

У наш час В.В. Кузнецов [98] розвиває модель Землі «гаря-

чого» походження. Змістом гіпотези, з якого виходить автор, є

допущення можливості існування протопланетної речовини у

вигляді перегрітого і переущільненого газу, стисненого до густи-

ни порядку ЗО г/см

й утримуваного гравітаційними силами в де-

якому об'ємі.

Уявлення автора про утворення оболонок Землі полягають у

такому [98]. На периферії переущільненого і перегрітого газу від-

бувається його конденсування у рідку фазу, що становить речо-

вину зовнішнього ядра (зона £). Переущільнена ділянка стає вну-

трішнім ядром (зона Є), для якого характерна сталість швидкості

поширення пружних хвиль. Перехідна між ними зона Р представ-

лена сукупністю двох рухомих фаз — газоподібної і рідкої, для

якої характерні знижені значення швидкості поширення пружних

Кора

Рис. 9. Розріз Землі за О.П. Виноірадовим

хвиль. Далі речовина зовнішнього ядра на периферії кристалізує-

ться й утворює тверду оболонку Землі (зони В, СІП). Автор

звертає увагу на певний «провал» у графіку швидкостей поши-

рення пружних хвиль на межі між рідким ядром і твердою обо-

лонкою, який він також пов'язує з наявністю двофазного середо-

вища («рідина» — «тверде тіло»).

Конкретний склад окремих зон Землі не обговорюється. Ав-

тор обмежується лише такими зауваженнями. Земля утворилася з

однорідної речовини з відносною молекулярною масою 10—12.

Мабуть хімічний склад речовини кори, мантії, зовнішнього і вну-

трішнього ядра дещо відрізняється, причому вірогідніше за все в

міру збільшення радіуса зростає й середня відносна молекулярна

маса речовини Землі.

Гідросфера й атмосфера. Уявлення про оболонкову будову Зе-

млі було б неповним, якщо не зазначити існування гідросфери й

атмосфери. Гідросфера займає близько 70 % площі поверх-

ні Землі. Вона є складовою частиною земної кори. Більше того,

багато дослідників земну кору акваторій морів і океанів виділяють

в особливий тип і використовують її для пояснення тектонічних

процесів на Землі. Тому це питання детальніше буде розглянуто в

наступному розділі.

Щодо атмосфери, то вона, в свою чергу, складається з

кількох дифузійно розділених шарів (починаючи від поверхні Зем-

лі) [60]: тропосфера, в якій зосереджено 79 % всієї маси атмосфе-

ри; стратосфера ~20 %; іоносфера ~0,5 % і верхня атмосфера —

шар водню, що переходить у міжпланетне середовище. Межі між

цими «сферами» виражені не чітко, а їхня форма повторює

сплющеність Землі. В атмосфері так само, як і гідросфері і твер-

дій Землі спостерігаються припливи. Атмосфера відіграє, істотну

роль у перетворенні сонячної енергії та у визначенні екзогенних

геологічних процесів на Землі.

2.2. Гравітаційне поле Землі

і концепція ізостазії

Гравітаційне поле. Однією з основних характеристик гравіта-

ційного поля є його напруженість або відповідна їй величина

прискорення вільного падіння. Величину прискорення вільного

падіння на поверхні Землі отримують різними способами: пря-

мим вимірюванням приладами, обчисленнями, в яких використо-

вується теорія руху штучних супутників у гравітаційному полі Зем-

лі та ін.

Величина прискорення вільного падіння на поверхні Землі

складається з двох компонентів. Один з них зумовлений притя-

ганням мас Землі, а другий — відцентровою силою обертання Зе-

млі навколо власної осі. Сукупна дія цих сил призводить до стис-

нення Землі. Величину цього стиснення є можна визначити із

співвідношення

де д = 1/289 — відношення відцентрової сили до сили гравітації

на екваторі р — відношення різниці сил гравітації на полюсі й

екваторі до сили гравітації на екваторі.

Вираз нормального прискорення вільного падіння £о для зем-

ного еліпсоїда (еліпсоїда Клеро) має вигляд:

У 1971 р. Міжнародна спілка геофізики і геодезії рекоменду-

вала таку формулу для обчислення нормального значення при-

скорення вільного падіння [55]:

Во« 978 031,8 (1 + 0,0053024 зіп

ср - 0,0000059 зіїйср) мГал, (4)

де ф — географічна широта.

Відхилення спостережуваних (або обчислених ) значень при-

скорення вільного падіння від нормальних називають аномаліями

На рис. 10 наведено схему гравітаційних аномалій у віль-

ному повітрі. Аномалії зумовлені щільнісними неоднорідностями

в Землі. Вони створюють невеликі відхилення рівневої поверхні

гравітаційного потенціалу від земного еліпсоїда, перетворюючи

його на геоїд.

Геоїд — це рівнева поверхня гравітаційного потенціалу,

яка щонайближче збігається з земним еліпсоїдом і перпендикулярна

в кожній точці до вектора сили гравітації. Відхилення геоїда вад зем-

ного еліпсоїда

С,

можна обчислити за формулою Стокса [55]:

С(а, фо, А<,) - -4— | | М(а,

, X) (5)

де а, ф, X — сферичні координати змінної точки на поверхні Зем-

лі, прийнятої за сферу радіусом а; а, ф

, А^ — сферичні координа-

(2)

£о= & (1 + р$іп

2ф' - р,зіп

2ф'),

(3)

Є 11

де р, = — +

— єр

; ф' — геодезична широта.

С-,